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1、第 3 4卷第 5期 化工机械 2 4 l 旋风分离器芯管结构改进的试验研究 马全 陈建 义 ( 中国石油大学 ) 摘 要在 P V型旋风分 离器的基础上 对其芯 管结构进行 了改进 ， 并 通过正 交试验得 到 了一 种新 的斜 切 芯管结构。 生能对 比试验 结果表 明， 当入 口气速为 2 0 m s时， 相对 于基准模 型 ， 改进结构 的压 降平均 降低 1 0 ， 跑损率降低 1 5 。 关键词 旋风分 离器 芯管 分 离效率 压降 中图分 类号T Q 0 5 1 8 4 文献标识码A 文章编号0 2 5 4 - 6 0 9 4 ( 2 0 0 7 ) 0 5 - 0 2 4 1
2、0 5 近年 来 ， 随着 旋 风 分离 器 内气 固两 相流 动 和 分 离过程 研究 的深 入 ， 旋 风分 离器结 构 改进 、 性能 计算以及优化设计等方 面都得到了较大 的发展。 目前 ， 在 炼油化 工领 域 ， 国外有 G E型 、 D u c o n型和 E m t r o l 型 等高性 能 旋 风 分 离 器 ， 我 国也 自主 开 发 了高效 P V型旋风分离器 ， 且 在全国炼 油催化裂 化 ， 丙烯腈反应器 中推广应用 。在高温气 固分离 领域 ， 旋风分离器仍然是 目前唯一选用 的气 固分 离设 备 。 蜗壳式 旋风 分离 器环 形空 间 内存 在速 度场 和 静压
3、场的非轴对称现象 ， 对分离性能产生 了很大 的影响。而芯管的结构和尺寸更是决定分离器性 能的重要因素， 本文对芯管进行斜切和偏置 ， 并通 过正交试验和对 比试验 ， 优选合适 的结构 ， 以期改 善分离器内部流场 ， 提高它的综合性能。 1 试 验装 置与试 验 内容 本试验以蜗壳式 P V型旋风分离器为基准试 验模型， 其结构尺寸如图 1 所示。试验流程图见 图 2 。 本试 验采用 吸风 式 负压 操 作 ， 试 验 在 常 温 下 进行 ， 气相介质为常温常压空气 ， 固相介质为 3 2 5 目滑石粉 ， 其密度为 P：2 7 8 6 t m ， 粒度 符合对 数正态分布， 中位粒径
4、 1 0 1 m， 均方差 0 3 2 。流量 用毕托管测量 ， 风量通过阀 门调节 ， 压 降用 u形 管测量； 旋风分离器的分离效率 ， 采用定量加尘 ， 收尘及 称 重 的方 法 测 定 ， 每 次加 料 1 k g 。通 过 定 量 加尘 ， 控制 加料 时 间 ， 从 而控制 入 口含尘浓 度 为 1 0 g m 。入 12 I 气速 变化 范 围 1 6 2 0 m s 。 图 1 基 准 P V试验 模 型 $ 国家重 点基础研究发展计划 ( 2 0 0 5 C B 2 2 1 2 0 1 ) ， 教育部新世纪优秀人才支持计划 ( N C E T 一 0 4 -01 0 8 )
5、。 料马 全 ， 男 ， 1 9 8 1 年 2月生 ， 硕士研究生 。山东省东营市 ， 2 5 7 0 6 1 。 维普资讯 http:/ 2 4 2 化工机械 2 0 0 7年 气流 方向 图 2试 验流程 图 1 u形压差计 ； 2 进气 管 ； 3 加料 斗 ； 4 毕托管 ； 5 集气室 ； 6 分离器 ； 7 收料 斗 ； 8 通风管 ； 9 烟 囱； 1 0 风 机 试验中芯管插入深度为 2 0 0 ra m， 芯管的偏置距 离为 ( 为芯管偏置后 的中心 e 与基准位置中心 。 之间的距离， 见图 3 ) 。芯管偏置角 0为 e o与 o ,1 7 之 间的夹 角 ， 0 0,
6、方 向为 0 。 偏 置方 向。图 3中粗线 圆 弧 m f n表示芯管切 I ： 1 ， 其 中心 线 与 e g之间 的夹 角为切 I： 1 方 向 ， 与 e g重合 时记 为 0 。 。0和 都按 4 5 。 间隔顺时针旋转。芯管 的切 口方式见 图 4 ， 其中固定 h改变 S ， 称为切量 S ， 且 S ， =d 4 ， S ： = 3 d 4 ， S = d ； 另外 ， 固定 t = d 2 ， 改变 O ， 称 为切 量 A， 试验中 O 取 l 5 。 、 3 0 。 和 4 5 。 ， 对应结构分别用 A 。 ， A 和 A ， 表 示 。各因素 的取 值见表 1 。
7、表 1 各 因素取值 因素 取值 L 3 mm，6 mm ，9mm 0 0。 ， 4 5 。， 9 0。 ， 1 3 5 。， 1 8 0 。， 2 2 5。 ， 2 7 0 。， 31 5。 JB 0 。 ， 4 5 。 ， 9 O 。 ， 1 3 5 。 ， 1 8 0 。 ， 2 2 5 。 ， 2 7 0 。 ， 3 1 5 。 S d 4，3 d 4，d d 1 5。 。3 O。，4 5 。 由于对本次试验产生影 响的有偏 置距 离、 偏 置方向、 切量和切 口方向 4个因素， 若对每个因素 的各个取值都互相搭配进行全面试验 ， 需要做的 试 验 次数就会 很 多 。为 了尽 可能
8、地减少 试 验次数 而又不影响试验效果 ， 并且希望得到 比较理想 的 结果 ， 故采用正交试验方法。 2试验 结果与 分析 2 1 综合指标 的正交分析 芯 f 气流方向 I 。 。 图 3 芯 管位 置 示意 图 置 乱基准结构 b 切量S 1 2 切量A 图 4 芯 管切 口示意 图 衡量旋风分离器性能的指标主要是压降和分 离效率 ， 二者具有矛盾性。同一分离器 ， 提高分离 效率会消耗更多 的能量， 使压 降增大。本试验希 望选出能同时达 到增效降压 的结构 ， 而与基准结 构进行效率或压 降的单指标对 比分析 ， 只能确定 各个单指标 的优选结构。为了综合反映压降和分 离效率的变化，
9、 设定一个无量纲综合指标 后 ： 后 ： ( 1 ) ： ( 2 ) Pg i 式中卵分离效率； 阻力 系数 ， 入 口气速 ； P 气体密度 ； p旋风分离器的压 降。 由式( 1 ) 和式( 2 ) 可知 ， 当分离效率不变 ， 压 维普资讯 http:/ 第 3 4卷第 5期 化工 机械 2 4 3 降减小 ， 或当压降不变而分离效率提高， 或者分离 效率提高的同时压降又降低等理想情况出现时， 后 值 都是 增大 的 。 表 2是第一系列结构的试验结果的正交分析 表 。表 中 ， 、 、 分 别为 3 、 6 、 9 m m； 前 期试 验发 现 ： 在 0取 2 2 5 。 、 2 7
10、 0 。 、 3 1 5 。 以及 取 9 0 。 、 1 8 0 。 、 2 7 0 。 时有 较 好 的 试 验 结 果 ， 因此 将 0 、 0 、 0 ，取 2 2 5 。 、 2 7 0 。 、 3 1 5 。 ； 3 l 、 2 、 3 取 9 0 。 、 1 8 0 。 、 2 7 0 。 。 由 表 2可见 ， 在 因素 偏 置 方 向 这一 列 中得 到 的极 差 值最大( 0 0 2 9) ， 这说 明偏置方 向的水平改变对 综合指标的影响最大， 偏置方 向是主要 因素 。它 的 3个水平所对应 的平均值中以第 3水平所对 应的数值 0 1 4 1最大 ， 所以取它 的第
11、3水平 最 好。偏置距离 的极差仅次 于因素偏 置方 向， 且 以 第 3个水平 即向 3 1 5 。 偏置时最好。切 口方 向取 它的第 1水平最好。另外 ， 因素切量 的极差值最 小 ， 它的第 1 水平对应的数值 0 1 2 6最大 ， 因此取 Js 。 最好 。 表 2正 交分析数 据表 综上所述 ， 各 因素对旋风分离 器综合性能的 影响按照大小次序来说应该是偏置方 向、 偏置距 离、 切口方向和切量。根据各个因素及其水平对 分离性能影响的大小 ， 可得到最好 的组合方案是 ( L ， ， 0 ， ， S ， 卢 。 ) ， 称之为 G 。这里得到的最好方案 G 在已经作过的 9次试
12、验 中没有 出现 ， 但它 比较 接近试验 9中的组合 G ： ( L ， ， 0 ， ， S ， 。 ) 。G 中的 切量 不是 处在 最 好 水平 ， 而 切量 对 综 合 指标 的影 响相 对较 小 。另从 实 际结 果看 ， 试 验 9中 的 为 0 1 5 3 ， 是 9次试 验 中最 大 的 ， 这也 说 明得 到 的最 好方案是符合实际的。按 同样的方法对第 2系列 结构进 行分 析可 以得 到较好 的组合 方 案是 G ( L ， ， 0 ， ， A 。 ， 卢 。 ) 和 G ( L ， ， 0 ， ， A ， 卢 。 ) 。 2 2改进 结构 与基 准结 构的性 能对 比
13、为检验优 选 结 构 的性 能 ， 将 G， 、 G 、 G ，和 G 与 基 准 结 构 进 行 了全 面 的 对 比 试 验 。 图 5 为试验得到 的各结构 的综合指标 随人 口气速 的变化情况 。由图 5可见 ， 通 过正 交分析 得到 的组合 G 、 G 、 G ，和 G 的综合 指标 相对 于 基准分离器的综合指标都有 明显 的增 加 ， 与 G 和 G， 相 比 ， G 。 和 G 的增 幅较 大 ， 其 中 G 的综 合指标 提高最多 。 图 5 综合指 标 与入 口气速 关 系 图 由式 ( 1 ) 可 知 ， 旋 风分 离 器 的分 离 效率 提 高 、 阻力系数减小 、
14、或者分离效率提高的同时阻力系 数也减小 ， 3种情况都会造成 的增大， 究竟是 由 哪种情况引起的还需要对单性能指标 即分离效率 和总压降进行 比较。 2 2 1 分 离效 率 的对 比 表 3为各结构分离效率随人 口气速 的变化情 况 。由3表可见 ， G 和 G ，的分离效率不如基准 结构。G 。 和 G 的分离效率与基准分离器的分离 效率相差不 大， 且在人 口气速 为 2 0 m s 时 G 和 G 的分离效率超过基准分离器的分离效率， 其跑 损率比基准结构的降低了约 1 5 。另外 ， 当人 口 气速超过J 1 8 m s时基准分离器 的分离效率下降 较多， 而 G 和 G 分离效率
15、的变化要 比基准结构 的缓慢 ， 因此在工程应用 中这两个结构会具有 比 基准结构更好的操作 弹性。 维普资讯 http:/ 2 4 4 化工机械 2 0 0 7年 表 3 各 结构 分 离效率 随入 口 气速变化数据表 G 和 G 这种分离性能的改变和它们 内部 的 流 场改 变有 着 密切 的关 系 。P V 型旋 风 分 离 器 在 蜗壳环形区的三维速度分布呈非轴对称性 ， 在芯 管居中布置时， 靠近芯管外壁存在一个离体漩涡 区 ， 文献 3 中也提 出在芯管的外壁存 在一个 低速 的“ 滞流层”， 其厚度沿周 向分 布不匀匀 ， 且 从人 口开始逐渐 降低 ， 并在 1 8 0 。 附
16、近达 到最低 ， 然后 又逐 渐增厚 。“ 滞 流层 ” 内的切 向速度 较 小 ， 颗粒所受离心力小 ， 使得该区域 的颗粒浓度很高， 由于“ 滞流层” 内向下 的轴向速度较大 ， 容易携带 颗粒 向排气管 口流动 ， 形成短路流 ， 使得分离器的 分离效率下降。芯管偏置有利于破坏影响分离的 离体漩 涡 区 。以结构 G 为例 ( 图 6 ) ， 3 1 5 。 方 向是 “ 滞流层” 增厚 的方 向， 芯管 向该方 向偏置 ， 就会 减小“ 滞流层” ， 破坏离体漩涡区， 改善分离器内部 流场， 降低短路流带走的颗粒 ， 从而降低 了分离器 的跑损率 。另外 ， 由于带有切 口的芯管对 气
17、流 的约 束作用也使得蜗壳环形空间内的速度场和静压场 的非轴对称分布得到改善， 使“ 滞流层” 厚度变薄， 减 少了颗粒在芯管表 面的沉积 ， 同时阻止 了 由芯管 0 。 方位人口过来的一部分短路流， 减少了颗粒从芯 管逸出， 从而使得分离器的分离效率提高。 图 6 G 偏 置位 置 示意 图 2 2 2总压降的对 比 图 7为 纯气 流状态 下旋 风分 离器 的阻力 系数 随人 口气速的变化曲线 。阻力系数的大小是 由旋 风分离器 的结构尺寸 决定 的。从 图 7中可 以看 到 ， G 、 G 、 G 和 G 的 阻 力 系数 都 小 于 基 准结 构 的阻 力 系数 ， 其 中 G 的阻
18、 力 系 数最 小 。G 的阻 力 系数 小 于基 准 结 构 的 阻 力 系数 ， 则 在 相 同 的人 口气速下 G 的压降更小。试验结果表明， 相对于 基准结构 ， G 的总压降降低 1 0 左右。 图 7 阻力 系数 与入 口气速 关 系 图 P V型旋风分离器蜗壳式的结构形式为非轴 对称 ， 导致 在 分离 器 蜗 壳 环形 区 的三 维 速度 分 布 的非轴对称性。在环形空间切向速度沿周向变化 很大 ， 分布 呈非 轴对 称 。流道 空 间 在 01 8 0 。 ( 入 口处为 0 。 ) 区间逐渐减 小， 促 使切 向速度增加 ； 1 8 0 3 6 0 。 区间的流通面积不变，
19、 但是有一部分气 流进入分离空间， 使环行空间的总旋流气量减少 ， 引起切向速度降低 。由图 6可见， G 结构芯管 中心位置 向 3 l 5 。 方 向偏置， 使得 01 8 0 。 区间的 流道面积增大 ， 这样会 使 01 8 0 。 区间的切向速 度降低 ， 从 而 导致压 降降 低。芯 管 中心位 置 向 3 1 5 。 方向偏置也减小 了 1 8 03 6 0 。 区间的流道面 积 ， 这样会使该区间的切向速度增大， 从而增强流 场的轴对称性 ， 削弱二次流 ， 这也会在一定程度上 降低压降。根据文献 4 ， 在 0 。 区间是人 口气流 与内部环流交汇的区域 流场分布较复杂 ，
20、人口气 流对 切 向速 度 的分布 影响很 大 。气流 交汇会 引 起 更加剧烈的湍动， 增加能量的损耗。芯管向 3 1 5 。 偏置后在减小 1 8 03 6 0 。 区间流道面积 的同时还 会相应地减少气流交汇空间的体积 ， 从而减少能 量的损耗 。另外 ， 芯管下端的切 口客观上造成 了 旋风分离器排气通道人 口半径 的增大 ， 减少了芯 管人 口的阻力， 使得压降也略有降低 。 加 坞 “ 维普资讯 http:/ 第 3 4卷第 5期 化工机械 2 4 5 综合以上对综合指标 、 分离效率 以及总压降 的比较 ， 本文推荐结构 G 作为一种性能优 良的新 型旋 风分离 器 。 3 结
21、论 3 1 通过对改进结构综合性能指标 的正交分 析 ， 得到各 因素对分离器综合性能影响大小 的次 序 为 ： 偏 置方 向 ， 偏 置距离 ， 切 口方 向和切 量 。 3 2 当入 口气速为 2 0 m s 时 ， G 与基准结构相 比压降平均降低 1 0 ， 跑损率降低约 I 5 ， 操作 弹性增 大 ， 综 合性 能提 高最大 ， 可作 为新 型旋 风分 离 器推 广应用 。 参 考 文 献 1 陈魁 试验设计与分析 北 京 ： 清华大学出版社 ， 1 9 9 6 2 Mu s c h e l K UMu s c h e l K E Ci r cu l a t i n g Fl u
22、i di z e d Be d T e c h n o l o g y B e i j i n g：S c i e n c e P r e s s ，1 9 9 7 5 9 76 0 2 3 魏耀东 ， 燕辉 ， 时铭显 蜗壳式旋 风分离器 环形空 间流 场的测量和分析 第六届 非均相 分离学术 交流会论 文 集 1 9 9 9 4 魏耀东 ， 燕辉 ， 时铭显 蜗壳式旋 风分离器 环形空 间流 场的研 究 石油炼制与化工 ， 2 0 0 0 ， 3 1 ( 1 1 ) ： 4 6 5 O 5 孔行健 ， 孙 国刚 ， 刘长征等 芯管 半切旋 风分离器 的实 验研究 中国粉体技术 ， 2 0
23、0 4 ， 1 0 ( 增刊) ： 9 6 9 9 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 7 - 0 2 - 0 6 ， 修 回 期 ： 2 0 0 7 -04 1 3 ) An E x p e r i me n t a l I n v e s t i g a t io n o n t h e St r u c t u r e I mp r o v e me n t o f t h e V or t e x F i n d e r i n Cy c lo n e Se p a r a t o r s ， MA Qu a n，CHEN J i a n y i ( C h i n a U n i v e
24、 r s i t y o f P e t r o e l u m，D o n g y i n g，2 5 7 0 6 1 ，S h a n d o n g，C h i n a) Ab s t r ac t S o me i mpr o v e me n t s we r e pe r f o r me d o f t h e s t r u c t ur e o f t h e v o rte x f i n d e r i n PV t y pe c y c l o n e s e p a r a - t o r s ，a n d a n e w o b l i q ue c u t t i
25、 n g v o rte x f i n de r wa s o b t a i ne d wi t h o r t h o g o n a l t e s t T he t e s t r e s u l t s ho ws t h a t t he p r e s s ur e d r o p o f t h e i mp r o v e d s t ru c t ur e wa s r e d u c e d b y 1 0 a v e r a g e l y，t h e l e a k a g e r a t e wa s r e d u c e d b y 1 5 f o r b a
26、 s e mo d e l whe n t h e a i r v e l o c i t y a t i n l e t wa s 2 0m s Ke y wor ds Cy c l o n e Se p a r a t o r ，Vo r t e x Fi nd e r ，S e p a r a t i o n Effi c i e nc y，P r e s s u r e Dr o p 化 工 机 械 投 稿 须 知 1 用电子邮件直接投寄稿件( E ma i l ： h g j ix c h e ma c h c o m) ； 2 在稿件正文的第 1页下方注明第 1 作者的姓名、 性别
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